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terça-feira, 3 de julho de 2012

Expansão da Autonomia em Veículos Elétricos (VEs)


O Nissan LEAF tem uma autonomia de mais de 160 km (100 milhas) com uma carga completa de bateria (EUA modo LA4). Extensa pesquisa do consumidor demonstra que este intervalo satisfaz as exigências de condução diária de mais de 80% dos consumidores do mundo que dirigem carros. A figura ao lado mostra um intervalo de condução médio por dia em cada país.

Estudos mostram, ainda, que a maioria das jornadas de condução de veículos é curta e local - a duração média de viagem por veículo é de 9,5 milhas (15,3 km), incluindo viagens curtas e longas e viagens nos dias úteis e fins de semana. A figura a seguir mostra a distribuição de viagens e milhas por categoria distância da viagem, dos veículos nos EUA. A primeira distribuição é um resumo direto de todas as viagens relatadas pela distância da viagem. A maioria das viagens são muito curtos (61% de todas as viagens em um dia médio são de menos de cinco quilômetros de distância).

A segunda distribuição utiliza o total de milhas de viagens de passageiros em um dia normal (2,3 trilhões de quilômetros de transporte de passageiros) e a distribuição dessas milhas de distância da viagem. Esta é uma distribuição mais uniforme, por exemplo, 13,5 por cento de todos milhas diárias são em viagens de cinco milhas ou menos, e 15,3 por cento de todos milhas diárias são em viagens de 100 milhas ou mais.

Como a maioria dos motoristas não costumam viajar para muito longe em uma base diária, uma carga noturna de um Electric Vehicle (EV), Veículo Elétrico (VE), em Português, pode acomodar a necessidade de condução da maioria das pessoas, tipicamente semelhante à maneira como, a cada noite, as pessoas costumam carregar os seus telefones celulares, para iniciar o próximo dia com uma a bateria plenamente carregada, elas também irão conectar seus carros elétricos, em casa, a cada noite, em carregadores residenciais "lentos".

Quando falamos "lentos", podemos estar falando, sim, em intervalos de tempo para carga completa que podem chegar a 6 hs, 8 hs, ou mesmo a problemáticas 14 hs, com emprego dos equipamentos mais simples, os quais costumam acompanhar na hora da compra do carro, como parte do conjunto de acessório triviais dos VEs mas, porém, não necessariamente tão lentos, pois, podemos chegar com bastante facilidade e baixo custo de investimento extra, a prover a carga completa da bateria de um VE, em um intervalo de tempo total de, digamos, 3 a 5 hs. Isso, sem estressar nem a própria bateria, e nem a instalação elétrica das residencias médias.

Quando um motorista de VE precisar viajar uma distância média e, como resultado disso, ele desenvolve "ansiedade de alcance" (ou ansiedade de autonomia), destinos com acesso a carregadores podem ser usados para aliviar essa preocupação sobre como poder recarregar. No entanto, quando um motorista de carro elétrico precisa viajar longas distâncias, especialmente as distâncias próximas ou superior a faixa de autonomia do carro, a existência necessária dos postos de carregamento rápido tornam-se essenciais (caso contrário, ele irá prever enfrentar transtornos, e acabará usando um carro secundário de motor as combustão ao invés do VE).

Todavia, o usuário deverá sempre buscar preferir o método de carregamento lento, que é aquele que garantirá uma maior vida útil do conjunto de baterias, de modo que tais carregamentos, feitos em período noturno, ou de descanso do veículo, tendem a ser feitos, de maneira geral, nas próprias garagens das residências dos usuários ou proprietários de VEs.

As normas regulamentárias elétricas dos Estados Unidos estabeleceram requerer uma estação de carregamento conectada a um ramal de 240V, permanentemente disponível, salvo se estiverem disponíveis mecanismos adequados de comutação com intertravamento para assegurar que a corrente de carregamento possa ser seguramente ligada e desligada. A Nissan selecionou a empresa AeroVironment para fornecer suas estações de abastecimento de carga e serviços de instalação na América do Norte.

Usando carregador rápido de CC, a bateria pode ser carregada a 80% da capacidade em cerca de apenas 30 minutos. A Nissan desenvolveu o seu próprio carregador rápido 500 VCC que começou a ser vendido no Japão por ¥ 1.470.000 (cerca de 16,800 dólares EUA) em maio de 2010 e planeja instalar 200 nas concessionárias no Japão. Mas isso é muito caro e nem mesmo convém aos interesses dos eventuais proprietários de VEs, podendo servir mais para atender a politicas públicas em infraestrutura.

A Nissan adverte, ainda, que se o carregamento rápido for usado como a principal maneira de recarregar, então a perda de capacidade normal e gradual da bateria, durante um período de 8 a 10 anos, que é o período de duração estimado da vida útil da bateria, será cerca de 10% maior (ou até mais), do que quando se emprega a maneira regular de carga, ou seja, uma carga mais lenta.

Nos EUA, extra oficialmente, outras empresas também compatibilizam estações de carregamento, e as empresas e governos locais têm várias iniciativas para criar redes de estações de carregamento públicas.

Uma rede de abastecimento de veículos elétricos é um sistema de infraestrutura proposto para o acesso público às estações de carregamento para recarregar, para possíveis substituições de bateria dos veículos elétricos e normalmente envolvem fornecedores de infraestrutura do governo, fabricantes de automóveis e concessionárias de fornecimento elétrica, firmaram vários acordos para a criação de tais redes.

A Nissan planeja dobrar a potência do carregador embarcado no LEAF de 3,3 kW para 6,6 kW, projeto a ser levado a cabo durante o ano de 2012, visando o ano de modelo de 2013. Eles também estão estudando a possibilidade de oferecer algumas atualizações para o modelo do ano 2011. Para o ano modelo 2014, a Nissan planeja, ainda, introduzir um carregador indutivo para recarga sem fios, algo baseado no princípio transformador. O sistema deverá apresentar um rendimento algo entre 80% e 90% de eficiência, mas os veículos já existentes não serão capazes, com facilidade, de serem equipados com esse novo sistema.

Um carro elétrico é bem adequado para o perfil da maioria das pessoas típica média de condução. Claro que isso não significa necessariamente que um VE funciona para todos os fins de condução. No entanto, quando considerando os padrões típicos de condução, a limitação de alcance do EV não devia ser uma questão empecilha, todavia, o paradigma de disponibilidade, construído pelo carro de motor a combustão, ainda está longe de ser totalmente vencido.

O principal paradigma a ser quebrado será sempre o de comparação dos tempos de carregamento do conjunto de baterias com o tempo de enchimento do tanque em um posto de gasolina. Isso faz com que fabricantes como a Nissan andem continuamente atrás do aprimoramento da tecnologia da bateria e da operação de carregamento, todavia isso sempre terá limites e, neste sentido, não existe milagres.

A característica de um acumulador de energia de qualquer tipo concebido, é que ele sempre será constituído de matéria e, consequentemente, será caracterizado por uma energia específica ou densidade de energia (quantidade de energia armazenada por unidade de massa).

No caso das células das bateria de Lítio-íon é de do LEAF o valor declarado para a densidade de energia é 140 W·h / kg e o da capacidade energética total de 24 kW·h

Se esses dados são honestos (e assim parecem pois, a maioria das baterias Li-ion conhecidas atualmente, operam em cerca de 100 -150 Wh / kg), e considerando que a densidade de energias é definida para apenas a massa das células da bateria em si, é possível, então, se calcular a massa total dos elementos acumuladores (células) da bateria do LEAF:


Como o pacote todo é avaliado em 300 kg, resta uma diferença de 128,6 kg que supõe-se que deva estar relacionado aos elementos de interligação elétrica existente entre as 4 células de cada módulo vezes os 48 módulos (que é o arranjo associativo do pacote da bateria do LEAF), além de outras peças, metálicas ou plásticas, e também da eletrônica de controle e monitoramento integrada, que compõem o pacote todo.

Densidade de energia é um desses conceitos muito importantes, mas que a maioria da pessoas comum não tem facilidade em concebem.

Densidade de energia é a relação entre a quantidade de energia contida em um dado sistema ou região do espaço e o seu volume ou a massa, dependendo de qual é mais útil no contexto deste sistema/região.

Não seria exagero dizer que o futuro de todo desenvolvimento voltado a energia renovável viável depende de aumentar a densidade energética das baterias, mas é difícil avaliar as reais chances de se atingir isso.

Digo isso, pois, mesmo que o desenvolvimento das tecnologias permita produzir baterias com densidade de energia, algo em torno dos anunciados 400 W·h / kg, a gasolina comum (sem mistura de álcool), por exemplo, oferece algo em torno de 13.000 / kg, ou seja, 30x mais densidade de energia. Veja na tabela abaixo, a comparação entre alguns exemplos de tecnologias:

Tecnologias de Armazenamento
Densidade de Energia por Massa (MJ/kg)
Densidade de Energia por Massa (W·h/kg)
Hidrogênio comprimido a 700 bar
143
39722
Gás natural comprimido a 200 bar
53,6
14889
LPG propano
49,6
13778
LPG butano
49,1
13639
Gasolina
46,9
13028
Óleo Diesel / residencial óleo de calefação
45,8
12722
Gasohol (10% etanol 90% gasolina)
43,54
12094
Jet A (combustível de aviação) / querosene
42,8
11889
Óleo biodiesel (óleo vegetal)
42,2
11722
Etanol
30
8333
Metanol
19,7
5472

A eficiência de um carro movido à gasolina é surpreendentemente baixa. Todo calor expelido como gases da exaustão ou que vai para o radiador é energia desperdiçada. O motor também usa bastante energia para acionar bombas, ventiladores e geradores em funcionamento. De tal forma que a eficiência global de um motor acionado por gasolina automotiva é de 20%. Isto é, cerca de 20% do conteúdo da energia térmica da gasolina é convertida em trabalho mecânico.

Um carro acionado por energia elétrica tem uma eficiência bem razoável. A bateria é cerca de 90% eficiente (a maioria das baterias gera algum calor, ou exige aquecimento) e conjunto motor/inversor elétrico tem eficiência de cerca de 80%. Isto fornece uma eficiência global de cerca de 72%.

A história, porém, tem outros ângulos. A eletricidade usada para energizar o carro foi gerada em outro local. Se sua origem tiver sido em uma usina que utilizou a combustão (sem apelar para o processo nuclear, hidroelétrico, solar ou eólico), somente cerca de 40% do combustível foi convertido em eletricidade. Carregar o automóvel exige a conversão da corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC). A eficiência deste processo é de 90%, aproximadamente.

Portanto, se olharmos para o ciclo completo, a eficiência de um carro elétrico distribui-se em 72% para o carro, 40% para a usina geradora de energia e 90% para carregar o carro. Corresponde, portanto, a uma eficiência global de 26%. 

Esse exercício aponta para a importância de se considerar o sistema inteiro, não apenas o automóvel. Poderíamos dar mais um passo ainda indagando qual a eficiência do processo de produção da gasolina, do metanol ou do carvão. Não obstante, é bastante claro que os VEs irão se firmar no cenário mundial de veículos automotores, e também no Brasileiro.

Para entender por que está afirmação se justifica, repare que esta eficiência varia consideravelmente, dependendo do tipo de usina geradora de energia que tiver sido empregado. Algo próximo de 40% de rendimento para usinas geradora de energia é aquela que ocorre até mesmo na média mundial, a qual, infelizmente, ainda é fortemente dependente de combustíveis e, sem alternativas praticáveis para muitos países.

Se a eletricidade tiver vindo de uma hidroelétrica por exemplo, em termos energéticos ela praticamente foi gratuita e, ainda, ambientalmente, uma fonte renovável. Não tivemos de queimar combustível para gerá-la e, assim, a eficiência do carro elétrico, considerando o processo de conversão de energia, passaria a corresponder a algo em torno 65% (talvez até algo um pouco mais).

Isso porque a combustão é inexoravelmente ineficiente em si, por ser é uma reação exotérmica, ou seja, é uma reação química cuja energia é transferida de um meio interior para o meio exterior, assim aquecendo o ambiente.

Toda reação exotérmica será sempre uma reação química que libera calor, sendo, portanto, a energia final dos produtos bastante menor que a energia inicial dos reagentes e um exemplo disso é a reação de queima de produtos inflamáveis, como álcool ou a gasolina, que produzem muita energia, mas que não pode ser contida, isolada em seu meio.

Se você quiser conhecer alguns detalhes extra interessantes sobre a termodinâmica e processos de conversão de energia por combustão, veja isso no tópico Aquecedores de Água a Gás Natural Devem Colaborar com o Carregamento Doméstico de Veículos Elétricos, que se encontra postado neste mesmo Blog.

Evoluções no Carregamento de Veículos Elétricos:


Recentemente a Nissan anunciou que eles estão desenvolvendo tecnologias que permitam realizar a operação de carregamento das baterias a 80%, em um tempo igual ou menor do que 15 minutos (talvez 10 minutos). Tudo bem, isso é muito louvável, mas é preciso que se mantenha em mente, e sobre isso a própria Nissan, tem sido sempre clara em alertar, de que o carregamento rápido não deve ser mantido como padrão de carregamento, devendo dar-se a preferência ao carregamento lento, que convém ser feito em um período de repouso do veículo.

Já se vai 1 ano e ½ desde que o Nissan LEAF foi introduzido comercialmente, e está cada vez mais evidente que ele está se tornando o primeiro VE de produção em massa, pouco a pouco, cada vez mais acessível e confiável. O fato da Nissan desenvolver as sua própria bateria, podendo, assim, buscar adequá-la às características originais do carro, continuamente aumentando a eficiência energética do VE, colabora com o sucesso disso. Da mesma forma, esta lógica também se aplica ao Motor e ao Inversor, desenvolvidos de modo a prover uma arquitetura de VE de conceito simples e preciso.


Numa arquitetura simples e eficaz, todas as questões nevrálgicas se voltam mesmo para a bateria, que determina a autonomia do carro mas, principalmente, sua durabilidade e seu custo. Assim como a concepção do lendário Fusca da Volkswagen foi revolucionária o bastante para provocar sua massificação no mercado brasileiro nos anos 60 e 70, o Nissan LEAF, tendo sido concebido como um veículo de produção para o consumidor em geral, e a Nissan mantendo, convenientemente, uma política de tratá-lo como mais do que simplesmente mais um carro, essa mesma oportunidade se redesenha agora, na era dos EVs: só precisa vir a ser vendido a um preço realmente acessível para a maioria dos motoristas brasileiros e, para isso, aumentar a densidade de energia da bateria, ao mesmo tempo em que se reduz o custo de produção da mesma é a chave para aumentar o sucesso comercial desse carro.

Quando o LEAF foi lançado, possivelmente um dos aspectos da sua tecnologia que mais surpreendeu os engenheiros de outras montadoras, e deu margem para se estabelecer uma formação de opinião de certo ceticismo, foi quanto ao fato da bateria do Nissan LEAF não ter nenhum sistema de arrefecimento, propriamente dito.

Fazendo assim, a Nissan apostou na sua capacidade de obter uma bateria e um desenho de montagem do pacote de características especiais, não apenas olhando para a densidade de energia e para o custo, mas também para um o possível ajustamento da resistência interna da bateria para baixo, que é o que pode fazer a temperatura da bateria ser mantida, naturalmente, mais baixa.

Quando uma bateria tem um sistema de arrefecimento, recorre em mais custo e mais espaço necessário para instalar o sistema. De fato, andando em outra direção, alguns fabricantes estão desenvolvendo novas baterias dotadas sistemas de arrefecimento líquido bastante sofisticados. Não obstante, todo sucesso comercial de um produto reside sempre na simplicidade e na eficiência, foi desta maneira que o fusquinha, também sem sistema de arrefecimento líquido, conquistou o Brasil.

A Nissan alega que uma bateria que pode manter baixa a sua temperatura de aquecimento, sem um mecanismo de arrefecimento é também mais duradoura pois, tal bateria simplesmente funciona evitando o sobreaquecimento comece, todavia, como sempre, será a real satisfação do cliente, ao longo dos próximos oito anos (quando os primeiros LEAFs terão suas baterias originais completando os dez anos de vida útil prometida) que determinarão o sucesso dessa tecnologia.

A estrutura dos módulos de bateria é estrategicamente fina, mas com uma larga superfície de contato, o que, de fato, torna as qualidades de transferência calor melhoradas. Mas fazer com que esse designe laminado fino trabalhasse como parte integrante da realidade do automóvel foi um dos grandes desafio que exigiu um desenho cuidadoso do veículo, que tornasse possível proporcionar um maior espaço para uma montagem em disposição mais horizontal possível dos módulos de bateria, que é também uma das razões pela qual o sistema de bateria do LEAF não precise de um mecanismo de refrigeração especial e, ainda assim, manter um desempenho de segurança.


Em uma “suposta torção” naquilo que concerne ao carregamento convencional de VEs, a Nissan desenvolveu recentemente um sistema que permite que um EV forneça a eletricidade contida em sua enorme bateria, a fim de alimentar uma residência ou um estabelecimento, em uma situação emergencial e de contingência em que há uma queda ou falta de energia, como por exemplo, as primeiras 48 horas após um tsunami.

Um protótipo desse sistema de carregamento instalado em um carro elétrico Nissan LEAF foi apresentado no Japão no final de Julho/2011. O sistema pode ser usado para fornecer eletricidade por meio de um dispositivo de carregamento bidirecional, que normalmente converte a energia elétrica residencial para uma tensão apropriada para carregar a bateria do carro, a qual poderá agora ser reconvertida para alimentar energia de volta ao circuito doméstico.

Obviamente que, para o aproveitamento dessa energia, o circuito da rede local da casa deve ser isolado da rede de distribuição pública, com o desligamento da chave principal, no painel de entrada de energia, para que a energia não fuja para fora. Um outro caso é que a rede elétrica inteligente (Smart Grid), pode, também, “negociar” com um EV, fazendo com que ele só esteja autorizado a se carregar a partir dela, por exemplo, no horário compreendido entre 00:00 hs as até as 07:00 hs, mesmo podendo o veículo ainda, estar previamente conectado a estação, poderá “revender” a sua energia armazenada, no horário de pico de consumo, por exemplo, entre 18:00 hs e 22:00 hs.

Como a bateria de íon de Lítio do LEAF pode acumular até 24kW·h (quilowatts·hora) de eletricidade, que a Nissan estima ser suficiente para abastecer uma casa média japonesa para cerca de dois dias, isso significa que se o sistema for utilizado racionalmente, por apenas algumas horas durante o dia, o carro seria ainda retêm energia suficiente para fazer viagens.

Veja Também:


Bateria de Veículos Elétricos (VEs) - Nissan LEAF





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